Metallische Bindungen - Freie Elektronen
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Metallische Atombindungen

Metalle leiten elektrischen Strom und sind undurchsichtig. Viele von ihnen glänzen und leiten Wärme sehr gut. Alle diese Eigenschaften hängen mit der besonderen Art zusammen, wie die Atome in einem Metall zusammen halten.

Die meisten reinen Elemente sind im Normalzustand metallisch. Hierzu gehören die bekannten Elemente wie Eisen, Chrom, Silber, Gold und Uran, aber auch weniger bekannte Elemente wie Samarium oder Tellur. Reine Elemente enthalten nur eine Atomsorte. Eine ionische Bindung kommt für sie nicht in Frage, weil gleiche Atome die Elektronen stets gleich gut anziehen. In reinen Elementen muss also jedes Atom die gleiche Zahl von Elektronen haben.

Das besondere an Metallen ist nun, dass jedes Atom eine bestimmte Anzahl seiner Valenzelektronen an das Metall abgibt. Diese Elektronen können sich im ganzen Metall nahezu frei bewegen und werden als Leitungselektronen bezeichnet. Die Bewegung der Elektronen kann klassisch nicht korrekt beschrieben werden, sie bilden ein Fermigas. Mit dem Verhalten dieses quantenmechanischen Systems können die meisten Eigenschaften von Metallen erklärt werden.

elektrische Leitfähigkeit

Die Leitungselektronen haben ihren Namen daher, dass sie für die Leitfähigkeit der Metalle verantwortlich sind. Legt man von außen ein elektrisches Feld an das Metall an, so bewegen sich die Elektronen in dem Metall solange in die Richtung des Feldes, bis sie es durch ihr eigenes Feld ausgeglichen haben. Es fließt also so lange ein elektrischer Strom in dem Metall, bis alle Felder ausgeglichen sind.

Entnimmt man einem Metall auf einer Seite ständig Elektronen und gibt von der anderen Seite welche hinein, so kann ein ständiger Elektronenfluss erzeugt werden. Metalle eignen sich so als elektrische Leitungen.

Glanz und Undurchsichtigkeit

Dass Metalle meist glänzend sind und kein Licht hindurch lassen, hängt ebenfalls mit den freien Elektronen zusammen. Licht kann als eine Welle eines elektrischen Feldes angesehen werden. Trifft eine Lichtwelle auf die Oberfläche eines Metalles, so entsteht dort ein schwingendes elektrisches Feld. Dieses Feld regt die freien Elektronen dazu an, ebenfalls zu schwingen und damit zu verhindern, dass das Feld in das Metall eindringen kann. Die schwingenden Elektronen erzeugen dabei eine gegenläufige Lichtwelle, das Licht wird also reflektiert und man sieht - wenn das Metall glatt genug ist - den typschen Metallglanz.

Da das Licht eine Bewegung der Elektronen erzeugt, diese aber nicht völlig Verlustfrei schwingen können, wird ein Teil der einfallenden Lichts nicht reflektiert sondern absorbiert (aufgenommen) und in Wärme umgewandelt.

Wärmeleitung

Die freien Elektronen können nicht nur Ladung, sondern auch Wärmeenergie transportieren. Deshalb sind Metalle in der Regel auch gute Wärmeleiter. Da Metalle die Wärme schnell ableiten fühlen sie sich sehr kalt an und können nicht so leicht mit der Hand aufgewärmt werden.

Letzte Änderung: 21.05.2004